CN104500150A - 一种汽轮机调速器执行机构分段线性模型及参数获取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种汽轮机调速器执行机构分段线性模型及参数获取方法，本发明提出了汽轮机调速器执行机构分段线性模型，该模型分别采用主、辅分段开启和关闭时间常数反映调门非线性；调门全开全关时，油动机先以主开启和关闭时间常数呈线性动作，接近调门稳态开度值时，油动机以辅开启和关闭时间常数动作。其主开启和关闭时间常数通过全开全关曲线前段计算得到，并结合调门小扰动试验采用智能算法辨识执行机构比例积分环节倍数，再由全开全关试验曲线确定调门分段点及辅开启和关闭时间常数，完成参数的获取。本发明结构精细、清晰，模型参数意义明确、易获取，建模过程快捷、高效、精确，实用性强。

Description

一种汽轮机调速器执行机构分段线性模型及参数获取方法

技术领域

本发明涉及汽轮发电机调速系统建模技术领域，具体涉及一种汽轮机调速器执行机构分段线性模型及参数获取方法。

背景技术

火力发电是当前我国的主要发电形式之一。汽轮机调速器执行机构将调节器发出的控制信号放大转换为调门开度，控制进入汽轮机的蒸汽流量，执行机构是影响调速系统的动态特性及电网一次调频能力的重要因素之一，其模型及参数的准确性对电力系统稳定性分析具有重要意义。

执行机构采用数字控制，其数学模型由综合放大环节、电液伺服环节、配压阀及主接力器等环节构成，含有速度限制、限幅等非线性环节。在调门大幅度动作时，伺服阀输出达到极限位置，油动机调节特性具有最大开启关闭速度，阀门表现为线性。现有研究及BPA(电力系统计算分析软件)和PSASP(电力系统分析综合程序)仿真软件中均只采用固定的一组油动机开启和关闭时间常数，在调门小扰动情况下较为适用，但无法准确反映火电厂执行机构全开全关试验中调门所呈现的非线性特征。

目前，对于汽轮机调速器非线性特征及其参数辨识的研究主要集中在非线性函数模块的添加和参数的调整。其中，通过添加非线性函数模块描述执行机构模型中调门的非线性特性，增加了模型的复杂度，给模型实测验证带来较大难度；针对调门非线性，在不同工况下采用不同PID(比例-积分-微分环节)参数，其整定较为复杂，模型适用性降低。

因而亟需结合油动机的动作特性，研究考虑调门非线性特性的汽轮机执行机构模型及参数获取方法。

发明内容

本发明主要是解决现有技术所存在的技术问题；提供了一种能较好地解决调门非线性的问题，对调门呈线性和非线性均能适用的一种汽轮机调速器执行机构分段线性模型。

本发明还有一目的是解决现有技术所存在的技术问题；提供了一种提高参数获取的效率，减少了工作量的一种汽轮机调速器执行机构分段线性模型及参数获取方法。

本发明再有一目的是解决现有技术所存在的技术问题；提供了一种能适用于电力系统仿真的需要，能更有效地提高仿真精度的一种汽轮机调速器执行机构分段线性模型及参数获取方法。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种汽轮机调速器执行机构分段线性模型，基于汽轮机调速器执行机构，调门指令与油动机反馈行程的偏差值经过综合放大模块的比例放大、积分、微分环节，综合放大模块输出限幅，油动机过速开启、过速关闭限制，再经油动机分段开启或关闭调节，最终输出调门开度，其特征在于，在计算油动机开启和关闭时间时，采用分段调节形式，并定义:油动机开启时包括主开启和辅开启两个动作，开启时间包括主开启时间常数T_o和辅开启时间常数T_o1；油动机关闭时包含主关闭和辅关闭两个动作，关闭时间包括主关闭时间常数T_c和辅关闭时间常数T_c1；具体是：

在高调门小扰动时，油动机以主开启时间常数T_o或主关闭时间常数T_c动作；在调门大扰动时，油动机调节速度达到最大，先以主开启时间常数T_o或主关闭时间常数T_c呈线性动作，接近调门稳态开度值时，油动机以辅开启时间常数T_o1或辅关闭时间常数T_c1动作；其中，接近调门稳态开度值是指开方向时调门行程由70％到全开的过程使用辅开启时间常数动作，关方向调门行程由30％到全关的过程使用辅关闭时间常数动作。

一种基于汽轮机调速器执行机构分段线性模型的汽轮机调速器执行机构分段线性模型中参数获取方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，对实际电厂机组实施汽轮机调速器执行机构静态试验，包括调门小扰动试验、调门全开试验、调门全关试验，得到各调门的调门输入指令、调门输出开度。

步骤2，选取上述试验的调门输入指令和调门输出开度数据，对数据进行预处理，所述预处理技术基于小波分析方法和数据平滑技术，得到降噪、平滑后的调门输入指令和调门输出开度数据。

步骤3，由预处理后的调门全开全关试验数据得到全开全关试验曲线，由全开全关试验曲线计算主开启和主关闭时间常数，其中，主开启时间常数通过调门全开试验曲线前段(调门行程由全关至开度70％)计算得到，计算方法为

$T_o=\frac{0.7\·P_{\max }-P_{\min }}{\mathrm{\Δ}{t}_1}$

式中，T_o为主开启时间常数；P_max为调门开度最大值；P_min为调门开度最小值；Δt₁为调门全开试验曲线前段(调门行程由全关至开度70％)所对应时间。

主关闭时间常数通过调门全关试验曲线前段(调门行程由全开至开度30％)计算得到，计算方法为

$T_c=\frac{P_{\max }-0.3\·P_{\max }}{\mathrm{\Δ}{t}_2}$

式中，T_c为主关闭时间常数；Δt₂为调门全关试验曲线前段(调门行程由全开至开度30％)所对应时间。

步骤4，针对一种汽轮机调速器执行机构分段线性模型，利用调门小扰动试验数据，采用智能算法辨识模型中的比例放大环节倍数K_p和积分环节倍数K_i。以调门小扰动试验得到的调门输入指令作为执行机构分段线性模型的输入量，利用获取的模型参数仿真得到调门输出开度数据，与调门小扰动试验得到的调门输出开度数据对比，选取如下准则函数为算法中适应度函数

$f=\left(\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{(y\left(i\right)-y_0\left(i\right))}^2\right)/N$

式中，N为取样点数，y(i)为第i个采样点仿真输出值，y₀(i)为第i个采样点实测输出值。算法通过寻优得到使适应度函数f最小的比例放大环节倍数K_p和积分环节倍数K_i参数为辨识值。

步骤5，由步骤2得到的调门全开全关试验曲线校核调门分段点及辅开启和辅关闭时间常数。针对前述一种汽轮机调速器执行机构分段线性模型，以调门全开全关试验得到的调门输入指令作为执行机构分段线性模型的输入量，利用获取的模型参数仿真得到调门输出开度数据，与调门全开全关试验得到的调门输出开度数据对比，执行机构仿真与实测的调门阶跃响应曲线的上升时间、调节时间偏差允许值基于同步发电机原动机及其调节系统参数实测与建模导则标准要求。

因此，本发明具有如下优点：1、当调门存在非线性时，采用主、辅分段开启和关闭时间常数，不影响调门小扰动下调门变化特性的同时，大扰动下与实测曲线更为吻合，能较好地解决调门非线性的问题。因而对调门呈线性和非线性均能适用；2、给出了适用的参数获取流程及方法，提高参数获取的效率，减少了工作量；3、执行机构分段线性模型能适用于电力系统仿真的需要，能更有效地提高仿真精度。

附图说明

图1为现有技术中执行机构模型。

图2为本发明所涉及的执行机构分段线性模型。

图3为本发明所涉及的开启时间常数计算示意图。

图4为本发明所涉及的执行机构分段线性模型中参数获取步骤。

图5为某电厂执行机构全开试验录波图，图中，GV1、GV2、GV3为汽轮机调门。

图6a为调门由开度50％阶跃至55％仿真与实测对比图。

图6b为调门由开度55％阶跃至50％仿真与实测对比图。

图7a为调门全开试验仿真与实测对比图。

图7b为调门全关试验仿真与实测对比图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。图1～图2中，K_p、K_i、K_d分别为综合放大模块比例、积分、微分环节倍数，综合放大模块一般为比例或比例积分环节；S_PIDmax、S_PIDmin为综合放大环节输出上下限；VEL_open、VEL_close分别为过速开启、过速关闭系数；T_o、T_c分别为油动机开启和关闭时间常数，也即图2中的主开启和关闭时间常数；T_o1、T_c1为油动机辅开启和关闭时间常数；T₂为油动机行程反馈环节时间常数，一般取为0.02s。图6中，仿真曲线1参数：K_p＝9.52，K_i＝10.72；仿真曲线2参数：K_p＝6.83，K_i＝7.7；仿真曲线3参数：K_p＝8，K_i＝8.87。

实施例：

一、首先介绍一下本发明所涉及的执行机构数学模型。

本发明基于汽轮机调速器执行机构，调门指令与油动机反馈行程的偏差值经过综合放大模块的比例放大、积分、微分环节，综合放大模块输出限幅，油动机过速开启、过速关闭限制，再经油动机分段开启或关闭调节，最终输出调门开度，其数学模型如图1所示。但实际调门存在为非线性的情况，图1中模型难以适用。因而提出执行机构分段线性模型如图2所示。

在调门大幅度动作时，伺服阀输出达到极限位置，油动机调节特性最有最大开启关闭速度，阀门表现为线性。但实际调门存在为非线性的情况，图2所示执行机构分段线性模型，在调门小扰动时，油动机以主开启时间常数(或主关闭时间常数)动作；在调门大扰动时，油动机调节速度达到最大，先以主开启时间常数T_o(或主关闭时间常数T_c)呈线性动作，接近调门稳态开度值时，油动机以辅开启常数时间常数T_o1(或辅关闭时间常数T_c1)动作。

二、模型中参数获取方法。

模型中需要计算或辨识的参数主要有：油动机主、辅开启和关闭时间常数，比例放大环节倍数和积分环节倍数。

现有确定油动机开启和关闭时间常数的方法一般通过执行机构全开全关试验曲线计算得到。当调门非线性时，为计算开启和关闭时间常数，以开启时间常数为例，采用不同段曲线计算示意图如图3所示。

(1)前段：调门行程由全关到开度为70％开度；

(2)中段：调门行程由25％开度到70％开度；

(3)整段：调门行程由全关到全开。

图3中，虚线为采用分段开启时间常数示意图，前一段与后一段分别采用主开启时间常数和辅开启时间常数。

执行机构分段线性模型中参数获取步骤如图4所示。

步骤1，对实际电厂机组实施汽轮机调速器执行机构静态试验，包括调门小扰动试验、调门全开试验、调门全关试验，获取各调门的调门输入指令、调门输出开度。

步骤2，选取上述试验的调门输入指令和调门输出开度数据，采用小波分析方法对数据进行预处理，得到降噪、平滑后的调门输入指令和调门输出开度数据。

步骤3，由调门全开全关试验曲线计算主开启和主关闭时间常数，其中，主开启时间常数通过调门全开试验曲线前段(调门行程由全关至开度70％)计算得到，计算方法为

$T_o=\frac{0.7\·P_{\max }-P_{\min }}{\mathrm{\Δ}{t}_1}$

式中，T_o为主开启时间常数；P_max为调门开度最大值；P_min为调门开度最小值；Δt₁为调门全开试验曲线前段(调门行程由全关至开度70％)所对应时间。

主关闭时间常数通过调门全关试验曲线前段(调门行程由全开至开度30％)计算得到，计算方法为

$T_c=\frac{P_{\max }-0.3\·P_{\max }}{\mathrm{\Δ}{t}_2}$

式中，T_c为主关闭时间常数；Δt₂为调门全关试验曲线前段(调门行程由全开至开度30％)所对应时间。

步骤4，针对一种汽轮机调速器执行机构分段线性模型，利用调门小扰动试验数据，采用智能算法辨识模型中的比例放大环节倍数K_p和积分环节倍数K_i。

步骤5，由调门全开全关试验曲线校核调门分段点及辅开启和辅关闭时间常数。

针对前述一种汽轮机调速器执行机构分段线性模型，以静态试验获取的调门输入指令作为输入量，利用获取的模型参数仿真得到调门输出开度数据，与静态试验获得的调门输出开度数据对比，其评价指标应满足标准要求。

三、下面介绍采用上述模型的一个具体应用。

对具有调门非线性特性的电厂汽轮机调速器执行机构完成参数辨识，该电厂机组额定功率为300MW，为中间再热式汽轮机。现场进行静态试验，得到调门全开全关试验录波图和调门小扰动下调门输入指令、调门输出开度数据。

A.不同主开启和主关闭时间常数计算方法及其对比例放大环节倍数辨识结果的影响

电厂执行机构全开试验录波图(图5)知，调门全开试验中，前一段曲线近似线性过渡，而接近稳态值的一段变化较平缓；调门全关试验曲线也类似。对调门全开全关试验，取整段、前段、中段曲线数据计算油动机主开启和主关闭时间常数(参照图3)，不同方法主开启和主关闭时间常数计算结果如表1所示。

表1

由表1可知，取全开全关试验不同段曲线数据计算得到的主开启、关闭时间常数亦不同，其与调门全开全关试验曲线为非线性有关。采用全开全关试验中段和前段曲线计算的时间常数较基于整段曲线计算的结果的差别小。

选取调门小扰动下开度由50％阶跃至55％扰动数据，辨识执行机构比例放大环节倍数和积分环节倍数结果如表2所示。得到主开启和关闭时间常数计算及其对比例放大环节倍数K_p辨识结果的影响规律：主开启时间常数T_o计算值越大，K_p辨识值随之增大。

表2

由调门小扰动试验开度仿真与实测对比(图6)，基于三组不同参数(包括不同主开启和主关闭时间常数及比例放大环节倍数和积分环节倍数)的仿真结果与实测数据都较为吻合。

经比较，推荐采用全开全关试验曲线前段计算执行机构主开启和主关闭时间常数。

B.执行机构大扰动试验对比

由图5可知，全开全关试验实测曲线为非线性，固定的一组油动机开启和关闭时间参数难以吻合实测曲线，需采用主、辅分段开启和关闭时间常数。具体方案如下：

B1.调门全开时，在开度为0.64时执行机构开启时间常数由1.89s变为4s；

B2.调门全关时，在开度为0.3时执行机构关闭时间常数由1.58s变为5.7s。

执行机构比例放大环节倍数和积分环节倍数为K_p＝6.83，K_i＝7.7。执行机构大扰动全开全关试验，采用分段与不采用分段开启、关闭时间常数仿真与实测对比如图7所示。

由图7可知，采用主、辅分段开启和关闭时间常数的调速器执行机构分段线性模型，其仿真结果与实测曲线吻合。

综上，当调门存在非线性时，采用主、辅分段开启和关闭时间常数，不影响调门小扰动下调门变化的同时，大扰动下与实测曲线更为吻合，能较好地解决调门非线性的问题。但采用固定的一组油动机开启和关闭时间常数，调门大扰动时与实测曲线差别较大。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (2)

1.一种汽轮机调速器执行机构分段线性模型，基于汽轮机调速器执行机构，调门指令与油动机反馈行程的偏差值经过综合放大模块的比例放大、积分、微分环节，综合放大模块输出限幅，油动机过速开启、过速关闭限制，再经油动机分段开启或关闭调节，最终输出调门开度，其特征在于，在计算油动机开启和关闭时间时，采用分段调节形式，并定义:油动机开启时包括主开启和辅开启两个动作，开启时间包括主开启时间常数T_o和辅开启时间常数T_o1；油动机关闭时包含主关闭和辅关闭两个动作，关闭时间包括主关闭时间常数T_c，辅关闭时间常数T_c1；具体是：

在高调门小扰动时，油动机以主开启时间常数T_o或主关闭时间常数T_c动作；在调门大扰动时，油动机调节速度达到最大，先以主开启时间常数T_o或主关闭时间常数T_c呈线性动作，接近调门稳态开度值时，油动机以辅开启时间常数T_o1或辅关闭时间常数T_c1动作；其中，接近调门稳态开度值时指开方向时调门行程由70％到全开的过程使用辅开启时间常数动作，关方向调门行程由30％到全关的过程使用辅关闭时间常数动作。

2.一种基于汽轮机调速器执行机构分段线性模型的汽轮机调速器执行机构分段线性模型中参数获取方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，对实际电厂机组实施汽轮机调速器执行机构静态试验，包括调门小扰动试验、调门全开试验、调门全关试验，得到各调门的调门输入指令、调门输出开度；

步骤2，选取上述试验的调门输入指令和调门输出开度数据，对数据进行预处理，所述预处理技术基于小波分析方法和数据平滑技术，得到降噪、平滑后的调门输入指令和调门输出开度数据；

步骤3，由预处理后的调门全开全关试验数据得到全开全关试验曲线，由全开全关试验曲线计算主开启和主关闭时间常数，其中，主开启时间常数通过调门全开试验曲线前段计算得到，计算方法为

$T_o=\frac{0.7\·P_{\max }-P_{\min }}{\mathrm{\Δ}{t}_1}$

式中，T_o为主开启时间常数；P_max为调门开度最大值；P_min为调门开度最小值；Δt₁为调门全开试验曲线前段所对应时间；

主关闭时间常数通过调门全关试验曲线前段(调门行程由全开至开度30％)计算得到，计算方法为

$T_c=\frac{P_{\max }-0.3\·P_{\max }}{\mathrm{\Δ}{t}_2}$

式中，T_c为主关闭时间常数；Δt₂为调门全关试验曲线前段所对应时间；

步骤4，针对一种汽轮机调速器执行机构分段线性模型，利用调门小扰动试验数据，采用智能算法辨识模型中的比例放大环节倍数K_p和积分环节倍数K_i；以调门小扰动试验得到的调门输入指令作为执行机构分段线性模型的输入量，利用获取的模型参数仿真得到调门输出开度数据，与调门小扰动试验得到的调门输出开度数据对比，选取如下准则函数为算法中适应度函数

$f=\left(\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}(y\left(i\right)-y_0{\left(i\right))}^2)\right)/N$

式中，N为取样点数，y(i)为第i个采样点仿真输出值，y₀(i)为第i个采样点实测输出值；算法通过寻优得到使适应度函数f最小的比例放大环节倍数K_p和积分环节倍数K_i参数为辨识值；

步骤5，由步骤2得到的调门全开全关试验曲线校核调门分段点及辅开启和辅关闭时间常数；针对前述一种汽轮机调速器执行机构分段线性模型，以调门全开全关试验得到的调门输入指令作为执行机构分段线性模型的输入量，利用获取的模型参数仿真得到调门输出开度数据，与调门全开全关试验得到的调门输出开度数据对比，执行机构仿真与实测的调门阶跃响应曲线的上升时间、调节时间偏差允许值基于同步发电机原动机及其调节系统参数实测与建模导则标准要求。